Dalla sua prima fabbricazione per esfoliazione nel 2014, il fosforene è stato al centro di attività di ricerca in rapida espansione.
Dal 2004 anno in cui fu ottenuto per la prima volta il grafene si sono sviluppate le ricerche sui materiali bidimensionali detti 2D tra cui:
- il nitruro di boro con caratteristiche isolanti
- i calcogenuri dei metalli di transizione come il disolfuro di molibdeno MoS2 e il diseleniuro di tungsteno WSe2 che si comportano da semiconduttori per le loro molteplicità di impiego.
Impilando cristalli 2D diversi che si legano tra loro dando luogo alla formazione di eterostrutture di Van der Waals si possono ottenere nuovi materiali
Essi hanno proprietà ottiche, elettroniche e magnetiche che si differenziano rispetto a quelle dei materiali dei singoli strati.
Lo studio di questi materiali che hanno proprietà innovative è quindi finalizzato alla progettazione di nuovi dispositivi di piccolissime dimensioni e dotati di enormi potenzialità.
Dal fosforo nero al fosforene
Nel 2014 il fosforene è entrato a far parte dei materiali 2D. Esso è ottenuto dal fosforo nero e formato da un solo strato di atomi di fosforo. A causa dell’ibridazione sp3 non forma fogli piatti come il grafene.
Il fosforo nero, che costituisce uno degli stati allotropici del fosforo non è mai stato studiato a fondo.
Esso è ottenuto per riscaldamento del fosforo bianco ad altissime pressioni.
Presenta in apparenza proprietà e struttura simili a quelle della grafite essendo anch’esso di colore scuro, friabile, conduttore di elettricità. Il fosforo nero ha una struttura ortorombica costituita da anelli a sei membri in cui ogni atomo è legato ad altri tre.
La più importante somiglianza del fosforo nero con la grafite è la possibilità di poter essere ottenuto in monostrati. Essi hanno eccellenti proprietà di trasporto di cariche ed elevata conduttività termica. Esso tuttavia tende ad ossidarsi a contatto con l’acqua in presenza di ossigeno e ciò costituisce un limite per il suo utilizzo. E’ uno dei quattro noti allotropi del fosforo che mostra proprietà semiconduttive ed è stato scoperto per la prima volta più di un secolo fa da Percy Williams Bridgman.
Usi
L’elevato assorbimento ottico del materiale lo rendono di particolare interesse nel campo delle applicazioni optoelettroniche. Esse studiano i dispositivi elettronici che interagiscono con le radiazioni elettromagnetiche.
Al contrario del grafene che è strutturalmente piatto ed è capace di condurre elettricità essendo privo della banda energetica proibita tipica dei semiconduttori, il fosforene che ha una fisionomia ondulata dove ventri si alternano a creste formate da atomi di fosforo, intercalati in un continuo saliscendi ha una banda energetica proibita determinata e quindi può condurre elettricità solo quando gli elettroni assorbono una determinata energia e questa caratteristica consente un controllo sul comportamento elettrico del materiale.
Diversamente dal grafene, e, contrariamente ad altri materiali 2D, è anisotropo.
Tale proprietà incide sulle proprietà ottiche, elettriche, termiche e meccaniche dei dispositivi in cui è utilizzato.
Il fosforene è interessante perché la sua banda proibita che va da 0.3 a 2.0 eV e copre un intervallo che non hanno gli altri materiali 2D.
Il grafene infatti ha una banda proibita pari a zero mentre il calcogenuri dei metalli di transizione hanno una banda proibita che va da 1.5 a 2.5 eV.
La banda proibita del fosforene corrisponde all’intervallo di lunghezza d’onda tra 0.6 e 4.0 μ che copre l’intervallo che è a cavallo tra luce visibile e infrorosso quindi può essere usato nei sensori a infrarosso.
La banda proibita inoltre può essere variata sia aumentando il numero di monostrati impilati che dopando il fosforene con arsenico consentendo al materiale di essere particolarmente sensibile alla presenza di gas.
La ricerca ora si rivolge sia a metodi nuovi per l’ottenimento del fosforo nero, sia a materiali che possano passivarlo al fine di renderlo più stabile.